Een innovatie op het gebied van kunststofrecycling die meer doet met minder, vandaag gepresenteerd op de najaarsbijeenkomst van de American Chemical Society in Chicago, verhoogt tegelijkertijd de conversie naar nuttige producten terwijl minder van het edelmetaal ruthenium wordt gebruikt.

"De belangrijkste ontdekking die we melden, is de zeer lage metaalbelasting", zegt Janos Szanyi, chemicus van het Pacific Northwest National Laboratory, die het onderzoeksteam leidde. "Dit maakt de katalysator veel goedkoper."

De nieuwe methode zet kunststoffen efficiënter om in waardevolle chemicaliën, een proces dat 'upcycling' wordt genoemd. Bovendien produceert het veel minder methaan, een ongewenst broeikasgas, als bijproduct in vergelijking met andere gerapporteerde methoden.

"Het was erg interessant voor ons dat er niets eerder was gepubliceerd dat dit resultaat liet zien", zegt postdoctoraal onderzoeker Linxiao Chen, die het onderzoek presenteerde bij ACS. "Dit onderzoek toont de mogelijkheid om effectieve, selectieve en veelzijdige katalysatoren voor plastic upcycling te ontwikkelen."

Minder metaal is meer bij het upcyclen van plastic

Op aardolie gebaseerd plastic afval vormt een onaangeboorde bron van op koolstof gebaseerde chemicaliën die kunnen dienen als uitgangsmateriaal voor bruikbare duurzame materialen en brandstoffen. Op dit moment wordt er nog maar heel weinig plastic gerecycled, vooral om economische en praktische redenen. Maar wetenschappers van PNNL proberen de dynamiek te veranderen door hun expertise toe te passen in het efficiënt verbreken van chemische bindingen.

Het is algemeen bekend dat het toevoegen van waterstof - een reactie die bekend staat als hydrogenolyse - aan moeilijk te recyclen kunststoffen zoals polypropyleen en polyethyleen een veelbelovende strategie is om plastic afval om te zetten in kleine koolwaterstoffen met toegevoegde waarde. Dit proces vereist efficiënte en selectieve katalysatoren om het economisch haalbaar te maken.

Dat is waar dit recente door PNNL geleide onderzoek uitblonk.

Het onderzoeksteam ontdekte dat het verminderen van de hoeveelheid edelmetaal ruthenium de efficiëntie en selectiviteit van de polymeerupcycling daadwerkelijk verbeterde. In een recent gepubliceerd onderzoek in ACS Catalysis , toonden ze aan dat de efficiëntieverbetering plaatsvond toen de lage verhouding van metaal tot ondersteunende structuur ervoor zorgde dat de structuur verschuift van een geordende reeks deeltjes naar ongeordende vlotten van atomen.

Gevangen atomen

Een trackrecord van PNNL-expertise op het gebied van katalysatoren met één atoom hielp het team te begrijpen waarom minder meer is. Het onderzoeksteam observeerde de overgang naar wanorde op moleculair niveau en gebruikte vervolgens gevestigde theorie om aan te tonen dat afzonderlijke atomen in dit experimentele werk eigenlijk effectievere katalysatoren zijn.

Het werk bouwt voort op onderzoek naar het vangen van atomen en katalysatoren met één atoom door Yong Wang, een professor in chemische technologie aan de Washington State University, Pullman, en een PNNL Laboratory-fellow.

"Er is veel moeite gedaan vanuit een materieel perspectief om te proberen te begrijpen hoe afzonderlijke atomen of zeer kleine clusters effectieve katalysatoren kunnen maken", zei Gutiérrez.

Bij ACS beschreef Chen ook nieuw werk dat de rol van het ondersteunende materiaal bij het verbeteren van de efficiëntie van het systeem onderzoekt.

"We hebben onderzoek gedaan naar goedkopere en gemakkelijker verkrijgbare ondersteunende materialen om ceriumoxide te vervangen", zegt Chen. "We ontdekten dat een chemisch gemodificeerd titaanoxide een effectievere en selectievere route voor upcycling van polypropyleen mogelijk maakt."

Leren hoe u chloor kunt verdragen

Om de methode praktisch te maken voor gebruik met gemengde plastic recyclingstromen, onderzoekt het onderzoeksteam nu hoe de aanwezigheid van chloor de efficiëntie van de chemische omzetting beïnvloedt.

"We onderzoeken meer veeleisende extractieomstandigheden", zegt chemicus Oliver Y. Gutiérrez, een expert in industriële toepassingen voor katalyse. "Als je geen schone plastic bron hebt, in een industrieel upcyclingproces, heb je chloor uit polyvinylchloride en andere bronnen. Chloor kan de plastic upcycling-reactie vervuilen. We willen begrijpen welk effect chloor op ons systeem heeft."

Nu kan dat fundamentele begrip helpen om afvalplastic, dat normaal gesproken als vervuiling in het milieu terecht zou komen, om te zetten in bruikbare producten. + Verder verkennen

De meest directe weg naar plastic upcycling is het specifiek ontwerpen van polymeren voor hergebruik